banner

Công dụng của graphene là gì?Hai trường hợp ứng dụng cho bạn hiểu triển vọng ứng dụng của graphene

Năm 2010, Geim và Novoselov đã giành được giải Nobel vật lý cho công trình nghiên cứu về graphene.Giải thưởng này đã để lại ấn tượng sâu sắc trong lòng nhiều người.Rốt cuộc, không phải mọi công cụ thí nghiệm đoạt giải Nobel đều phổ biến như băng dính, và không phải mọi đối tượng nghiên cứu đều kỳ diệu và dễ hiểu như graphene “tinh thể hai chiều”.Tác phẩm năm 2004 có thể được trao giải vào năm 2010, đây là điều hiếm có trong kỷ lục đoạt giải Nobel những năm gần đây.

Graphene là một loại chất bao gồm một lớp nguyên tử cacbon sắp xếp chặt chẽ thành một mạng lưới hình lục giác tổ ong hai chiều.Giống như kim cương, than chì, fullerene, ống nano cacbon và cacbon vô định hình, nó là một chất (chất đơn giản) được cấu tạo bởi các nguyên tố cacbon.Như trong hình bên dưới, các fulleren và ống nano cacbon có thể được nhìn thấy như được cuộn lại theo một cách nào đó từ một lớp graphene, được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene.Nghiên cứu lý thuyết về việc sử dụng graphene để mô tả các đặc tính của các chất đơn giản carbon khác nhau (than chì, ống nano carbon và graphene) đã kéo dài gần 60 năm, nhưng người ta thường tin rằng các vật liệu hai chiều như vậy khó tồn tại ổn định một mình, chỉ gắn vào bề mặt đế ba chiều hoặc các chất bên trong như than chì.Mãi cho đến năm 2004, Andre Geim và sinh viên của ông Konstantin Novoselov đã tách một lớp graphene ra khỏi graphite thông qua các thí nghiệm thì nghiên cứu về graphene mới đạt được bước phát triển.

Cả fullerene (trái) và ống nano carbon (giữa) có thể được coi là được cuộn lại bởi một lớp graphene theo một cách nào đó, trong khi graphite (phải) được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene thông qua liên kết của lực van der Waals.

Ngày nay, graphene có thể được thu nhận bằng nhiều cách, và các phương pháp khác nhau có những ưu và nhược điểm riêng.Geim và Novoselov thu được graphene theo một cách đơn giản.Bằng cách sử dụng băng keo trong suốt có sẵn trong siêu thị, họ tách graphene, một tấm graphite chỉ dày một lớp nguyên tử carbon, khỏi một miếng graphite nhiệt phân bậc cao.Điều này rất thuận tiện, nhưng khả năng kiểm soát không tốt lắm, và chỉ có thể thu được graphene với kích thước nhỏ hơn 100 micron (một phần mười milimet), có thể được sử dụng cho các thí nghiệm, nhưng rất khó sử dụng cho thực tế. các ứng dụng.Sự lắng đọng hơi hóa chất có thể làm phát triển các mẫu graphene với kích thước hàng chục cm trên bề mặt kim loại.Mặc dù diện tích với định hướng nhất quán chỉ là 100 micron [3,4], nó đã phù hợp với nhu cầu sản xuất của một số ứng dụng.Một phương pháp phổ biến khác là nung tinh thể silic cacbua (SIC) đến hơn 1100 ℃ trong chân không, để các nguyên tử silic gần bề mặt bay hơi và các nguyên tử cacbon còn lại được sắp xếp lại, điều này cũng có thể thu được các mẫu graphen có đặc tính tốt.

Graphene là một vật liệu mới với các đặc tính độc đáo: độ dẫn điện của nó tuyệt vời như đồng, và khả năng dẫn nhiệt của nó tốt hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết.Nó rất minh bạch.Chỉ một phần nhỏ (2,3%) ánh sáng nhìn thấy tới theo phương thẳng đứng sẽ bị graphene hấp thụ và phần lớn ánh sáng sẽ đi qua.Nó dày đặc đến nỗi ngay cả các nguyên tử heli (phân tử khí nhỏ nhất) cũng không thể đi qua.Những đặc tính kỳ diệu này không được thừa hưởng trực tiếp từ than chì mà từ cơ học lượng tử.Các đặc tính điện và quang học độc đáo của nó quyết định rằng nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Mặc dù graphene chỉ mới xuất hiện chưa đầy mười năm, nhưng nó đã thể hiện nhiều ứng dụng kỹ thuật, điều rất hiếm thấy trong lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu.Phải mất hơn mười năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ để các vật liệu nói chung chuyển từ phòng thí nghiệm sang cuộc sống thực.Công dụng của graphene là gì?Hãy xem hai ví dụ.

Điện cực trong suốt mềm
Trong nhiều thiết bị điện, vật liệu dẫn điện trong suốt cần được sử dụng làm điện cực.Đồng hồ điện tử, máy tính, ti vi, màn hình tinh thể lỏng, màn hình cảm ứng, tấm pin mặt trời và nhiều thiết bị khác không thể để lại sự tồn tại của các điện cực trong suốt.Điện cực trong suốt truyền thống sử dụng oxit thiếc indium (ITO).Do giá cao và nguồn cung cấp indium hạn chế, vật liệu này giòn và thiếu tính linh hoạt, và điện cực cần được lắng đọng trong lớp chân không ở giữa, và chi phí tương đối cao.Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra chất thay thế nó.Ngoài các yêu cầu về độ trong suốt, độ dẫn điện tốt và dễ chuẩn bị, nếu tính linh hoạt của vật liệu tốt, nó sẽ thích hợp để làm “giấy điện tử” hoặc các thiết bị hiển thị có thể gập lại khác.Vì vậy, tính linh hoạt cũng là một khía cạnh rất quan trọng.Graphene là một vật liệu như vậy, rất thích hợp cho các điện cực trong suốt.

Các nhà nghiên cứu từ Samsung và Đại học chengjunguan ở Hàn Quốc đã thu được graphene với chiều dài đường chéo 30 inch bằng cách lắng đọng hơi hóa học và chuyển nó sang màng polyethylene terephthalate (PET) dày 188 micron để tạo ra màn hình cảm ứng dựa trên graphene [4].Như thể hiện trong hình bên dưới, graphene phát triển trên lá đồng đầu tiên được liên kết với băng tước nhiệt (phần trong suốt màu xanh lam), sau đó lá đồng được hòa tan bằng phương pháp hóa học, và cuối cùng graphene được chuyển sang màng PET bằng cách nung nóng. .

Thiết bị cảm ứng quang điện mới
Graphene có những đặc tính quang học rất độc đáo.Mặc dù chỉ có một lớp nguyên tử, nó có thể hấp thụ 2,3% ánh sáng phát ra trong toàn bộ dải bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại.Con số này không liên quan gì đến các thông số vật chất khác của graphene và được xác định bằng điện động lực học lượng tử [6].Ánh sáng bị hấp thụ sẽ dẫn đến việc tạo ra hạt tải điện (electron và lỗ trống).Sự tạo ra và vận chuyển các hạt tải điện trong graphene rất khác so với các hạt tải điện trong chất bán dẫn truyền thống.Điều này làm cho graphene rất thích hợp cho thiết bị cảm ứng quang điện cực nhanh.Người ta ước tính rằng thiết bị cảm ứng quang điện như vậy có thể hoạt động ở tần số 500ghz.Nếu nó được sử dụng để truyền tín hiệu, nó có thể truyền 500 tỷ số không hoặc đơn vị mỗi giây và hoàn tất quá trình truyền nội dung của hai đĩa Blu-ray trong một giây.

Các chuyên gia của Trung tâm nghiên cứu Thomas J. Watson của IBM tại Hoa Kỳ đã sử dụng graphene để chế tạo thiết bị cảm ứng quang điện có thể hoạt động ở tần số 10GHz [8].Đầu tiên, các mảnh graphene được chuẩn bị trên nền silicon được phủ bằng silica dày 300 nm bằng “phương pháp xé băng”, và sau đó các điện cực vàng palađi hoặc vàng titan với khoảng cách 1 micron và chiều rộng 250 nm được thực hiện trên đó.Bằng cách này, một thiết bị cảm ứng quang điện dựa trên graphen thu được.

Sơ đồ thiết bị cảm ứng quang điện graphene và kính hiển vi điện tử quét (SEM) ảnh chụp các mẫu thực tế.Đường ngắn màu đen trong hình tương ứng với 5 micron và khoảng cách giữa các đường kim loại là một micron.

Qua các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy thiết bị cảm ứng quang điện cấu trúc kim loại graphene kim loại này có thể đạt tần số làm việc tối đa là 16ghz, và có thể hoạt động ở tốc độ cao trong dải bước sóng từ 300 nm (cận tử ngoại) đến 6 micron (hồng ngoại), trong khi ống cảm ứng quang điện truyền thống không thể phản ứng với ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn.Tần số làm việc của thiết bị cảm ứng quang điện graphene vẫn còn rất nhiều khả năng để cải thiện.Hiệu suất vượt trội của nó làm cho nó có nhiều triển vọng ứng dụng, bao gồm liên lạc, điều khiển từ xa và giám sát môi trường.

Là một vật liệu mới với những đặc tính độc đáo, các nghiên cứu về ứng dụng của graphene đang lần lượt xuất hiện.Rất khó để chúng tôi liệt kê chúng ở đây.Trong tương lai, có thể có ống hiệu ứng trường làm bằng graphene, công tắc phân tử làm bằng graphene và máy dò phân tử làm bằng graphene trong sinh hoạt… Graphene dần ra khỏi phòng thí nghiệm sẽ tỏa sáng trong đời sống hàng ngày.

Chúng ta có thể mong đợi rằng một số lượng lớn các sản phẩm điện tử sử dụng graphene sẽ xuất hiện trong tương lai gần.Hãy nghĩ xem sẽ thú vị như thế nào nếu điện thoại thông minh và netbook của chúng ta có thể cuộn lại, kẹp vào tai, nhét vào túi hoặc quấn quanh cổ tay khi không sử dụng!


Thời gian đăng bài: Mar-09-2022